Java内存模型之happens-before

Posted 2023-01-18 李子捌

简介

happens-before是JMM的核心概念。理解happens-before是了解JMM的关键。
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1、设计意图

JMM的设计需要考虑两个方面，分别是程序员角度和编译器、处理器角度：

1. 程序员角度，希望内存模型易于理解、易于编程。希望是一个强内存模型。
2. 编译器和处理器角度，希望减少对它们的束缚，以至于编译器和处理器可以做更多的性能优化。希望是一个弱内存模型。

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因此JSR-133专家组设计JMM的核心目标就两个：

1. 为程序员提供足够强的内存模型
2. 对编译器和处理器的限制尽可能少

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下面通过一段代码来看JSR-133如何实现这两个目标：

double pi = 3.14;			//A
double r  = 1.0;			//B
double area = pi * r * r 	//C

上述代码存在如下happens-before关系：

1. A happens-before B
2. B happens-before C
3. A happens-before C

这3个happens-before关系中，第二个和第三个是必须的，而第一个是非必须的（A、B操作之间重排序，程序执行结果不会发生改变）。
JMM把happens-before要求禁止的重排序分为下面的两类：

1. 会改变程序执行结果的重排序
2. 不会改变程序执行结果的重排序

JMM对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略：

1. 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止
2. 对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM不做要求（JMM运行）

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JMM设计示意图：

JMM设计示意图

总结：

• JMM给程序员提供的happens-before规则能满足程序员的需求。简单易懂，具有足够强的内存可见性保证。
• JMM对编译器和处理器的束缚尽可能少。遵循的原则是：不改变程序的执行结果（正确同步或单线程执行），编译器和处理器可以任意优化。

2、happens-before的定义

起源：
happens-before规则来源于Leslie Lamport《Time, Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》。该论文中使用happens-before来定义分布式系统中事件之间的偏序关系（partial ordering），该文中给出了一个分布式算法，能用来将偏序关系扩展为某种全序关系。
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Java中的应用：
JSR-133使用happens-before来指定两个操作之间的执行顺序。JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证。
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《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》对happens-before关系的定义如下：

1. 如果操作A happens-before 操作B，那么A操作的执行结果将会对操作B可见，且操作A的执行顺序排在操作B之前——JMM对程序员的承诺
2. 两个操作存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须按照happens-before的顺序来执行。如果重排序不改变程序执行结果（与happens-before）规则一致，那么这种重排序是不非法的（JMM允许这种重排序）。——JMM对编译器和处理器的束缚原则

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happens-before和as-if-serial语义：
从上述来看，happens-before和as-if-serial语义本质上是一回事

• as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不改变
• as-if-serial语义给编程者一种单线程是按程序顺序执行的幻境；happens-before关系给编程者一种正确同步的多线程是按照happens-before指定的顺序执行的幻境。

两者的目的都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能的提高程序的执行效率。
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3、happens-before规则

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》定义了如下happens-before规则

1. 程序顺序规则
2. 监视器锁规则
3. volatile变量规则
4. 传递性
5. start()规则
6. join()规则

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3.1 volatile写-读

volatile写-读建立的happens-before关系

happens-before关系示意图

分析上图：

1. 1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序顺序规则产生。由于编译器和处理器遵循as-if-serial语义，也就是说，as-if-serial语义保证了程序顺序规则。因此可以把程序顺序规则看成是对as-if-serial语义的“封装”。
2. 2 happens-before 3 是有volatile规则产生。一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量的最后写入。
3. 1 happens-before 4 是由传递性规则产生的。这里的传递性是由volatile的内存屏障插入策略和volatile的编译器重排序规则来共同保证的。

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3.2 start()规则

假设线程A在执行的过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B；同时，假设线程A在执行ThreadB.start()之前修改了一个共享变量，线程B在执行后会读取这些共享变量。
start()程序对应的happens-before关系图：

分析上图：

1. 1 happens-before 2 由程序顺序规则产生
2. 2 happens-before 4 由start规则产生
3. 1 happens-before 4 由传递性规则产生

因此线程A执行ThreadB.start()之前对共享变量所做的修改，在线程B执行后都将确保对线程B可见。
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3.3 join()规则

假设线程A执行的过程中，通过执行ThreadB.join()来等待线程B终止；则线程B在终止之前修改了一些共享变量，线程A从ThreadB.join()返回后会读这些共享变量。
join()程序的happens-before关系图：
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分析上图：

1. 2 happens-before 4 由join()规则产生
2. 4 happens-before 5 由程序顺序规则产生
3. 2 happens-before 5 由传递性规则产生

因此线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，线程B中任意操作都将对线程A可见。
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文章总结至《Java并发编程艺术》，下篇总结“双重检查所定与延迟初始化”，敬请关注。